Природные источники энергии — нефть, уголь, газ, торф, а также энергия рек, водопадов, ветров, используемые человеком, являются по существу концентратами солнечных лучей.
Накопленная в течение миллиардов лет энергия Солнца расходуется во все возрастающем количестве. Пройдут сотни, а может быть, только десятки лет, и запасов земных источников энергии окажется недостаточно для удовлетворения нужд человечества. Правда, уже созданы промышленные установки, использующие энергию распада тяжелых атомных ядер; не за горами создание методов управления термоядерными процессами синтеза легких ядер, подобными тем, которые совершаются в недрах Солнца. Познание и использование этих источников помогут разрешить энергетическую проблему на Земле.
Но есть еще один постоянный, неиссякаемый источник энергии — солнечный свет. Ежегодно Земля получает около 6·1017 квт-ч лучистой энергии. Это в 20 тыс. раз превышает потребность человечества в энергии на сегодняшний день. На долю каждого жителя Земли в сутки приходится свыше 1 млн. квт-ч энергии солнечного света. Это богатство практически не используется, за исключением ничтожной доли, усваиваемой растениями. Большая часть солнечных лучей, попав на Землю, отражается в мировое пространство, поглощается горными породами, поверхностными слоями морских вод, постройками городов, превращается в тепло.
Люди уже приступили к прямому освоению и использованию солнечной энергии. Из нескольких возможных направлений наиболее простым кажется использование полупроводниковых солнечных батарей, непосредственно преобразующих лучистую энергию Солнца в электрическую. Работают солнечные батареи на принципе фотоэлектрического эффекта, открытого в 1888—1889 гг. русским физиком А. Г. Столетовым: кванты излучения выбивают с поверхности некоторых металлов электроны. Когда такой фотоэлемент включен в цепь, в ней под влиянием света возникает электрический ток. Чем больше энергия квантов света, тем шире круг металлов, пригодных для получения фотоэлектрического эффекта. Основная масса лучистой энергии Солнца (около 97%) сосредоточена в области длин волн 0,3—3 мкм. Превращать эту энергию в движение выбитых электронов способны фотоэлементы из кадмия, кремния, бора и некоторых других металлов высокой чистоты.
Батареи, коэффициент полезного действия которых составляет 13—15%, ныне применяются при полетах автоматических станций к Марсу, Венере, при исследовании поверхности Луны. Использование этих батарей для удовлетворения земных энергетических нужд пока невозможно: слишком уж дороги их основные элементы — металлы-полупроводники. Однако не исключено, что в дальнейшем, по мере увеличения КПД солнечных батарей до 20— 25% и существенного снижения стоимости, станет возможным более широкое их использование. Чтобы этот способ использования энергии Солнца приобрел серьезное промышленное значение, необходимо будет покрывать полупроводниковыми пленками или пластинами большие пространства суши, а для выравнивания суточных колебаний выработки энергии включить в систему аккумуляторы (топливные элементы, способные переводить электроэнергию в химическую и обратно с КПД, близким к 100%). Для таких «полей» фотоэлементов требовались бы специальные защитные пластмассовые кассеты. Кроме того, они нуждались бы в постоянном квалифицированном уходе и надзоре. Это делает солнечную электростанцию такого типа нерентабельной (в ближайшем будущем).
Другой проект предполагает вынести гигантскую батарею солнечных фотоэлементов площадью 9х9 км в космос, на высоту 30 тыс. км над определенной точкой земной поверхности. На такой высоте количество лучей, приходящееся на 1 см2 поверхности, а значит, и выработка электроэнергии вдвое выше, чем на Земле. Такая электростанция не зависит от погодных условий, не нуждается, следовательно, в выравнивании суточных колебаний выработки энергии и в постоянном уходе.
Но особенности проекта создают другие трудности. Постоянный ток, отводимый от батареи, по кабелю передается на искусственный спутник Земли, где специальное устройство трансформирует его в высокочастотное излучение, удобное для транспортировки энергии на Землю без проводов. Там совершается новое ее превращение — в переменный ток удобной для потребителя частоты.
Для улавливания лучистой энергии Солнца и ее преобразования непосредственно в электрическую может быть использован также термоэлектрический метод. Суть этого метода в следующем: две проволоки из различных металлов или сплавов, соединенные обоими концами, образуют термопару; если один из спаев нагреть, то в цепи потечет слабый электрический ток. Чем больше разница температур спаев, тем больше сила тока. Соединив параллельно несколько отдельных термопар, получим батарею термоэлементов. Если зачернить один из спаев батареи и подставить его лучам Солнца, такая система станет вырабатывать электричество непосредственно из солнечных лучей. А если на зачерненный спай будет падать не рассеянное излучение Солнца, а пучок лучей, предварительно сконцентрированный линзой или вогнутым зеркалом — рефлектором, то разница температур спаев может быть доведена до одной-полутора тысяч градусов. Соответственно возрастет и выработка электроэнергии.
Задумываясь об энергетике будущего, о необходимости широкого использования солнечной энергии, ученые серьезно рассматривают и другие возможности, еще вчера относившиеся к области чистой фантастики. Так, академик Н. Н. Семенов полагает возможным осуществить, а затем и использовать в промышленных масштабах химическую систему, способную моделировать процесс фотосинтеза, накапливать солнечную энергию в виде энергии химической связи атомов органических соединений. Основания для такого смелого предположения Н. Н. Семенов видит в открытии ученых М. Е. Вольпина и А. Е. Шилова, осуществивших синтез аммиака и гидразина (фиксацию азота воздуха) при обычных температурах и давлении.
Промышленный способ получения аммиака протекает при высоких температурах и давлениях. В клубеньках же бобовых растений бактерии осуществляют фиксацию азота в природных условиях. Этот процесс осуществляется микробами с помощью ферментных белков. Молекулы ферментов громадны. Но непосредственно осуществляет реакцию небольшая активная группа атомов, содержащая ионы ванадия или молибдена. Вольпин и Шилов показа-сли, что гидроокись ванадия фиксирует азот с КПД, близким к 100%. Четыре атома ванадия, переходя из двухвалентного в трехвалентное состояние, дают достаточно энергии для образования молекулы гидразина, а в несколько иных условиях — аммиака.
Однако задача решена лишь наполовину. Модель биологического процесса усвоения азота должна предусматривать и механизм восстановления ванадия в двухвалентное состояние: реакция будет идти только в этом случае. По аналогии с живым организмом для этой цели следовало бы использовать солнечную энергию. Если работы, ведущиеся в этой области, окажутся плодотворными, можно будет наладить искусственный фотосинтез в промышленных масштабах. На огромных пространствах энергетических полей будут размещены кассеты с водным раствором взаимодействующих веществ и с непрерывным выходом продуктов реакции — богатых энергией соединений азота, углерода, водорода и кислорода. Производительность таких полей может вдвое-вчетверо превысить эффективность работы природных фотосинтезирующих машин-растений. Но и это — только планы, проекты.
А каковы реальные возможности сегодняшнего дня? Они связаны в первую очередь с решением задачи сбора и концентрации солнечной энергии. Честь открытия такого способа принадлежит, очевидно, Архимеду. Древние источники сообщают, что более двух тысяч лет назад, в 212 г. до нашей эры, защищая родной город от нападения римлян, Архимед вывел население Сиракуз на стены города, вооружил их зеркалами и, сконцентрировав все их зайчики в одну точку, сжег римский флот. Так ли это было в действительности — сказать трудно, но идея сама по себе родилась в древности. Эффективность такого способа использования энергии Солнца сильно зависит от расстояния до объекта, приговоренного к сожжению. Чтобы поджечь сухое дерево на расстоянии 30 м, нужно вогнутое зеркало диаметром 3 м. Но если увеличить расстояние до 1 км, диаметр зеркала нужно увеличить до 500 м.
Вряд ли кому-нибудь придет в голову заняться таким делом в наши дни. Но американский физик Дж. Пирс рассчитал, что чаша современного стадиона — весьма удобное место для экспериментов подобного рода и что недовольные болельщики могут попросту сжечь неугодного судью. Нужно только предварительно запастись кусками картона с наклеенной на них фольгой и потом одновременно направить все солнечные зайчики на жертву.
Но если сконцентрировать солнечный зайчик для того, чтобы плавить металлы, получится солнечная печь. Гелиопечи, работающие во Франции, Испании, США, Индии, Алжире и других странах Африки, способны плавить металлы, кварц при 1500—2000° и более. На Пиренеях сооружена гигантская установка с 10-метровым параболическим зеркалом, собранным из 3500 маленьких стеклянных зеркал. В солнечном зайчике огромного зеркала, имеющем диаметр 50 мм, температура достигает 3400°С; это позволяет в течение 1 часа выплавлять 60 кг стали. Конечно, есть более дешевые способы плавки стали, но в солнечной печи получается особая сталь; она совершенно свободна от загрязнений и примесей, неизбежных при других методах плавки. Такой металл годен для самых ответственных специальных изделий.
